直接用于甲醇燃料電池和同時(shí)氫氣生產(chǎn)的電催化劑以促進(jìn)電化學(xué)甲醇氧化反應(yīng)(MOR)是有意義但具有挑戰(zhàn)性的。

近日，新疆大學(xué)曹亞麗團(tuán)隊(duì)制備了海膽狀鈷嵌入的N摻雜碳納米管(Co@NCNT)封裝的CoPt₃@Co₂P異質(zhì)結(jié)(CoPt₃@Co₂P/Co@NCNT)，以實(shí)現(xiàn)高效MOR和HER。

該催化劑獨(dú)特的3D管狀結(jié)構(gòu)為氣態(tài)產(chǎn)物擴(kuò)散、離子傳輸和電子轉(zhuǎn)移提供了有效的三相區(qū)域。隨后，嵌入Co₂P/Co@NCNT載體中的金屬Co通過(guò)簡(jiǎn)單的原位取代反應(yīng)被Pt NPs取代，形成與Co₂P連接的CoPt₃合金，并封裝在NCNT中，確保良好的分散性，暴露更多的活性位點(diǎn)，以及調(diào)節(jié)表面電子結(jié)構(gòu)。

優(yōu)化的CoPt₃@Co₂P/Co@NCNT在活性和耐久性方面對(duì)MOR和HER表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化性能。酸性介質(zhì)中，MOR質(zhì)量活性(2981 mA mg_Pt^-1)是商業(yè)Pt/C的14.2倍。對(duì)于HER，在1 M KOH中，在10 mA cm^-2時(shí)的過(guò)電位僅為19 mV。

使用CoPt₃@Co₂P/Co@NCNT進(jìn)行陽(yáng)極MOR和陰極HER的電解槽，僅需要1.43 V的低電壓就能提供在10 mA cm^-2的電流密度。XPS分析和理論計(jì)算表明，在界面處電子從CoPt₃轉(zhuǎn)移到Co₂P，其中CoPt₃上的電子空穴區(qū)有利于提高M(jìn)OR活性，而Co₂P上的積累區(qū)有利于優(yōu)化H₂O和H*吸收能。

因此，CoPt₃@Co₂P/Co@NCNT協(xié)同效應(yīng)導(dǎo)致活性位點(diǎn)數(shù)量增加、質(zhì)量/電荷轉(zhuǎn)移加速、中間體的優(yōu)化吸附以及電子結(jié)構(gòu)改變，從而提升催化性能。這種簡(jiǎn)便的合成策略賦予了CoPt₃@Co₂P/Co@NCNT在其他有機(jī)物(例如甲酸、乙醇和尿素等)氧化反應(yīng)以及HER催化制氫方面的巨大應(yīng)用潛力。

In Situ Replacement Synthesis of Co@NCNT Encapsulated CoPt₃@Co₂P Heterojunction Boosting Methanol Oxidation and Hydrogen Evolution. Small, 2021. DOI: 10.1002/smll.202104656